戴思丹，劉 彬，孫 睿，李 蕃

(核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180)

0 引言

新型設備的研制需要開展整機的運行測試試驗，用于設備的指標考核、性能驗證。就大規(guī)模的設備運行測試系統(tǒng)而言，涉及的運行設備多、結構復雜，被考核設備發(fā)生指標異常時，需要記錄故障數據、并對整個測試系統(tǒng)做出調整。監(jiān)控系統(tǒng)作為試驗的重要組成部分，對于獲取寶貴數據，保障被考核設備的長期穩(wěn)定運行起到至關重要的作用，需要具備極高的準確度和響應速度，同時，長期地不間斷運行對于監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性亦有極高的要求。文章就某設備試驗監(jiān)控系統(tǒng)的實際研制情況，從總體架構、軟硬件設計、數據接口設計、數據分析及存儲設計、人機交互等方面進行了闡述。整個監(jiān)控系統(tǒng)基于Rockwell自動化產品研制，上層管理層采用CS架構設計，現(xiàn)場站控制層由工控一體機和PLC組成，底層設備層由各檢測裝置、儀表、執(zhí)行部件組成。監(jiān)控系統(tǒng)具備較強的穩(wěn)定性、可靠性。

1 系統(tǒng)總體結構設計

大規(guī)模設備運行試驗監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖1所示。整個監(jiān)控系統(tǒng)的主體網絡架構基于光纖以太環(huán)網構建，下設數條CAN總線和485串行總線，局部控制室采用標準以太網與光纖以太環(huán)網進行數據交換。監(jiān)控系統(tǒng)按照功能劃分為上層管理層、現(xiàn)場站控制層和底層設備層。其中上層管理層由構建系統(tǒng)整體工程的冗余畫面服務器，用于存儲數據的冗余數據服務器，多臺人機交互客戶端，報表輸出打印機，報警信息輸出打印機，負責整個監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)顯示、數據存儲、報警輸出、人機交互等，采用CS架構實現(xiàn)。在服務器中部署基于FactoryTalk View SE研發(fā)的監(jiān)控軟件和FactoryTalk Historian數據庫。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

現(xiàn)場站控制層，由工控一體機和PLC組成，與底層設備層之間通過CAN總線、RS485總線、干節(jié)點信號、模擬量信號等方式連接。負責采集各子系統(tǒng)的各項運行參數，經過分析運算后，控制子系統(tǒng)內的被控設備。根據系統(tǒng)規(guī)模不同可設立多套現(xiàn)場站?，F(xiàn)場站之間通過工業(yè)以太網通信。該系統(tǒng)共設置了9套現(xiàn)場站。

底層設備層負責各項運行參數的檢測，各種泵體、閥門、供電電源的直接控制等。包括用于檢測設備運轉頻率的專用檢測裝置，壓力、溫度、流量等參數檢測儀表，閥門控制器，泵體控制器，供電電源等。其中專用檢測裝置將檢測的運行參數數據通過CAN總線的方式傳輸到現(xiàn)場站控制層中的工控一體機，泵體、閥門通過繼電器輸出和485總線控制兩種方式分別接入現(xiàn)場站控制層中的PLC和工控一體機。

2 系統(tǒng)構建及關鍵技術

2.1 系統(tǒng)工程構建

整個監(jiān)控系統(tǒng)主體基于Rockwell自動化產品進行構建，由PLC完成常規(guī)工藝參數的采集和控制，軟件部分包括系統(tǒng)工程軟件FactoryTalk View SE，數據庫軟件FactoryTalk Historian。PLC設備采用RSlogix 5000系列的CPU和各種輸入輸出模塊，大規(guī)模設備的運行參數由非標的專用檢測裝置實現(xiàn)，數據接口由自研的OPC服務器程序來完成[1-6]。

整個監(jiān)控系統(tǒng)的軟件工程結構如圖2所示。上層管理層環(huán)節(jié)，在數據服務器1和數據服務器2中部署FactoryTalk Historian，構建冗余數據庫，用以數據的存儲。在畫面服務器1和畫面服務器2中部署FactoryTalk View SE，分別作100畫面的工程授權，建立Network系統(tǒng)工程，并配置冗余。設立一臺客戶端作為目錄服務器，用于區(qū)分指向網絡中的Network系統(tǒng)工程。在客戶端中配置FactoryTalk View SE Client通過目錄服務器的指向信息，運行Network系統(tǒng)。

圖2 軟件工程結構圖

現(xiàn)場站控制層環(huán)節(jié)，在現(xiàn)場站的工控一體機上部署FactoryTalk View SE，作本地的15畫面授權，建立本地軟件工程，對就地的PLC實現(xiàn)參數采集和設備控制。部署開發(fā)的OPC接口程序，用以實現(xiàn)對專用檢測裝置和部分閥門儀表的讀寫控制。

整個監(jiān)控系統(tǒng)工程的構建思路是上層的管理層，由服務器和客戶端組成，具有所有設備、參數的遠程監(jiān)視及控制權限，各客戶端監(jiān)測控制功能一致，但可顯示不同的監(jiān)測參數界面?，F(xiàn)場站則是具備本工作區(qū)域內設備參數的監(jiān)測和控制，可在現(xiàn)場站進行就地和遠程的控制模式切換，就地控制模式優(yōu)先級最高。

2.2 專用檢測裝置研制

監(jiān)控系統(tǒng)中被考核設備的核心運行參數檢測需要一種非標的專用檢測裝置，采用分布式的形式部署在設備運行現(xiàn)場，以總線的方式進行串聯(lián)。每臺專用檢測裝置可以完成多臺被考核設備的頻率和幅值參數檢測，并通過CAN總線的方式進行數據上傳。檢測裝置的研制關鍵是確保參數測量準確、快速，數據傳輸穩(wěn)定。

檢測裝置整體的硬件如圖3所示。采用DSP作為核心處理單元，通過外擴高速AD采集芯片實現(xiàn)信號的采集，輸入信號依次通過模擬開關、量程變換送至A/D，DSP對采集的數據進行頻譜分析以及一系列計算得出頻率、幅值參數。這些數據通過CAN通訊傳輸到遠程上位機進行進一步的顯示、分析及存檔。

圖3 裝置的整體的硬件框圖

為了提高頻率的測量精度，檢測裝置另外添加了用于測量頻率的電路。信號通過模擬開關之后，會同時傳送給分支電路，該電路利用比較器將信號轉換為同頻率的方波，送至DSP的ECAP端口，直接測量其頻率，結合150 MHz主頻的DSP，保證了被測參數的測量精度，高速的CAN總線保證了整個監(jiān)控系統(tǒng)關鍵參數1 s的數據刷新周期。

2.3 現(xiàn)場站數據接口設計

現(xiàn)場站控制層與下層設備層的數據接口由兩部分構成，一部分是通過以太網與PLC直連進行數據交互，以此檢測控制泵體閥門等設備；一部分是通過OPC服務器同非標的專用檢測裝置以及標準的485總線接口的閥門控制器等進行數據交互[7-10]?，F(xiàn)場站工控一體機中的CAN通訊卡負責接收該機組中數十個專用檢測裝置的數據，485串口卡負責485總線設備。然后通過OPC服務器將數據發(fā)送到本地軟件工程和上層管理層。

OPC是一種基于微軟的com/dcom技術來達成自動化控制的協(xié)定，包括一整套接口、屬性和方法的標準集，用于過程控制和制造業(yè)自動化系統(tǒng)。作為一種軟件之間交換數據的標準，OPC為不同測控系統(tǒng)間建立了數據交換的橋梁?，F(xiàn)場站數據接口如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場站數據接口示意圖

OPC服務器是數據的提供方，負責為客戶端提供所需的數據；OPC客戶端是數據的使用方，負責從OPC服務器獲取數據并進行處理。OPC服務器的設計采用OPC開發(fā)包進行開發(fā)，節(jié)省時間且開發(fā)較為容易。程序采用C#編寫，采用多線程設計，同時優(yōu)化了命令的發(fā)送方式，解決了項目開發(fā)過程中遇到的延時、占用系統(tǒng)資源的問題。

圖5為OPC服務器軟件的基本流程圖，OPC服務器首先創(chuàng)建一個將要使用的目錄并為此服務器進行注冊，在注冊的過程中，OPC服務器將自身注冊到組件目錄管理器中，這樣OPC客戶通過查詢組件目錄管理器，來獲取已注冊的OPC服務器的CLSID。注冊完成后，啟動OPC服務器，并添加OPC變量，包括寫入變量、讀取變量。OPC服務器包含讀/寫操作兩部分，寫操作將統(tǒng)一為標準OPC格式的檢測數據共享給SE客戶端，用于顯示、存儲和查詢使用，并刷新變量保證數據的實時性；讀操作接收SE的按鈕指令，用以觸發(fā)給下位檢測裝置和閥門的參數測量、開關等命令。

圖5 OPC服務器軟件流程圖

2.4 數據存儲與查詢設計

運行試驗開展過程中，分析各項參數的變化情況對于判定被考核設備的運行狀態(tài)以及故障模式具有重要意義，尤其在發(fā)生異常時，對于歷史數據的追溯尤為重要。因此監(jiān)控系統(tǒng)設計過程中就更加注重數據存儲的可靠性、穩(wěn)定性，以及數據查詢的交互友好性。

監(jiān)控系統(tǒng)采用建立冗余數據庫的方式進行設計，配置Raid模式的兩臺服務器數據庫的硬件載體，數據庫軟件采用Historian，各現(xiàn)場站工控一體機作為信號的輸入源和Historian的節(jié)點。數據的流向是Historian的節(jié)點將數據采集到，再同時將數據傳到服務器間的Historian的主從服務器中。當主服務器發(fā)生故障時，從服務器開始工作。當服務器發(fā)生故障時，節(jié)點處會將服務器無法接收的數據進行緩存，待服務器恢復正常后，緩存的數據會立刻被該服務器接收，從而保障數據的連續(xù)性。

為保證數據存儲的詳盡程度，采用3 s的存儲周期，存儲數據過濾斜率為0，即無數據過濾存儲。

數據查詢設計過程中，AB提供了原有的數據查詢客戶端軟件，但所有操作針對于變量名，無法做到分類分間隔，數據導出的格式也需要重新整理，交互友好程度較差，不能滿足系統(tǒng)快速、分類的查詢要求。因此設計了調用查詢程序，定制開發(fā)分類檢索功能，直接對數據庫數據進行操作。程序采用VB編程的方式實現(xiàn)，以腳本的形式嵌入到SE工程中，通過按鈕調用。操作人員通過按鈕選定要查詢的參數和時間段后，點擊查詢按鈕可進行歷史數據顯示，然后通過Excel輸出按鈕可實現(xiàn)被查數據到Excel的輸出。

以下為使用VB腳本連接AB數據庫的程序代碼，其中servername為數據庫建立時的名字。

Set CN = CreateObject(”ADODB.Connection”)

Strcn =”Provider = PIOLEDB.1; Data Soure = servername; Integrated Security = SSPI”

CN.ConnectionString = strcn

CN.Open

建立數據庫的連接后，需要在腳本中添加所有需要查詢的變量名稱，并通過語句建立變量名稱通數據庫中變量名稱的關聯(lián)。此時可以根據變量的類型在查詢界面的設計過程中進行分類處理，提升查詢功能的友好性。

2.5 數據統(tǒng)計計算

監(jiān)控系統(tǒng)中需要涉及成千上萬個變量的報警分析和統(tǒng)計計算，常規(guī)的監(jiān)控系統(tǒng)設計方案是將這些參數計算放到SE的系統(tǒng)工程中，利用腳本程序實現(xiàn)，采用該方案的實際測試結果并不理想，表現(xiàn)在腳本程序的運行嚴重影響界面數據的實時刷新速度，造成了界面切換卡頓、報警遲滯。腳本程序雖然處理靈活，但在執(zhí)行效率上存在先天的短板。

為了解決該問題，在監(jiān)控系統(tǒng)設計過程中，將這些大數據量的計算分析放在了PLC中進行。SE本身具有一項“衍生TAG”的功能，可以把上層的SE功能獲取的各種數據，通過軟件底層數據傳遞功能塊傳遞給到指定變量，實現(xiàn)數據的衍生。在現(xiàn)場站的SE工程中啟動衍生TAG功能，將通過OPC服務器數據接口上傳的需要計算的數據，衍生下發(fā)到本現(xiàn)場站的PLC中，在PLC中進行數據的報警屏蔽執(zhí)行、分析計算等處理。上層SE功能直接調取處理結果。這種處理方式利用了PLC運算速度快、穩(wěn)定的特點，不僅有效避免了腳本運行由于效率低占用大量時間，而且由于現(xiàn)場站中OPC服務器不再需要向這個網絡上的其他OPC Client提供數據，減小了環(huán)網中的數據吞吐量，從而降低了網絡通訊負擔，提高了整體監(jiān)控系統(tǒng)的運行實時性和可靠性。

圖6為運行數據的中轉流程示意圖。多臺參數檢測裝置中的數據通過OPC Server和FactoryTalk View SE兩層中轉，傳遞到PLC的CPU中。該數據處理的方式保證了監(jiān)控系統(tǒng)整體數據刷新周期1 s，報警時延低于2 s。

圖6 運行數據中轉流程示意圖

2.6 系統(tǒng)報表功能設計

試驗過程中，為了掌握某一時刻整個試驗系統(tǒng)的運行狀態(tài)，會將某些特定的重要參數和分析結果匯總到一張或數張表格上，形成運行狀態(tài)報表。監(jiān)控系統(tǒng)設計了定時打印輸出和人工打印輸出兩種操作方式，在打印輸出的同時增加了電子表格的存儲功能，以Excel表格的形式按照日期命名規(guī)則進行存儲。報表的實現(xiàn)采用在SE工程中繪制報表參數界面，以打印當前屏幕畫面的指令實現(xiàn)打印。電子報表的實現(xiàn)，通過繪制Excel的報表固定格式，在點擊打印報表按鈕的同時執(zhí)行數據寫入Excel指令，并按照日期命名規(guī)則給當前文件命名存儲[11]。

定時打印的實現(xiàn)通過編寫腳本程序完成，檢測系統(tǒng)時間滿足特定條件后，給中間變量賦值，執(zhí)行打印報表指令。

3 實驗結果分析

3.1 實驗步驟及方法

監(jiān)控系統(tǒng)涉及的點數規(guī)模大，反映到界面、報警、報表、數據統(tǒng)計、報表存儲、報警打印、數據變換等各個環(huán)節(jié)中的變量數量會十幾倍增加，為了驗證監(jiān)控系統(tǒng)的各項功能及技術指標，需要開展一系列的實驗測試驗證。監(jiān)控系統(tǒng)的準確穩(wěn)定是開展整個新型設備運行系統(tǒng)啟動運行工作的必要前提。實驗測試步驟及方法如下：

1)開展監(jiān)控系統(tǒng)靜態(tài)環(huán)境實驗測試，內容包括系統(tǒng)功能測試、安全性測試、穩(wěn)定性測試。

(1)系統(tǒng)功能測試，包括參數顯示功能(數據準確度、重復度、穩(wěn)定性)、系統(tǒng)報警功能(聲光報警輸出、上下限調整、參數報警屏蔽、報警記錄、報警查詢)、閥門連鎖控制功能(開關動作、開關精度、連鎖保護、遠程本地權限)、數據記錄功能(存儲周期、存儲準確度、存儲連續(xù)性、數據量大寫)、數據查詢功能(準確度、查詢時間長短、響應時間)、報表功能(數據準確度、紙質與電子版一致性、表格內容格式)、中控客戶端與現(xiàn)場站功能一致性等內容。使用過程信號校驗儀、函數信號發(fā)生器等A類檢測設備進行逐點效驗，確保監(jiān)控系統(tǒng)的每一點的檢測準確度。

(2)安全性測試，針對操作人員權限、系統(tǒng)外設管理等內容進行測試。測試各操作許可、密碼權限、外設接口密碼、操作系統(tǒng)安全配置是否功能正常。

(3)穩(wěn)定性測試，針對監(jiān)控系統(tǒng)的長期運行情況進行測試，包括系統(tǒng)運行狀態(tài)和數據傳輸穩(wěn)定性。在監(jiān)控系統(tǒng)正常狀態(tài)下連續(xù)運行168 h，并在期間不定期進行全功能操作，觀察系統(tǒng)運行情況，監(jiān)測各總線上的丟幀率，每條CAN總線上的丟幀率應為0。

2)開展被測設備運行系統(tǒng)整體的試啟動運行測試實驗。各子系統(tǒng)按正式工況運行，被測設備無負載運行，測試監(jiān)控系統(tǒng)各功能指標。

3.2 實驗結果

經過兩輪測試，監(jiān)控系統(tǒng)各功能指標和技術指標正常穩(wěn)定，報警延時1 s，數據刷新周期1 s，數據存儲間隔3 s，數據庫每24小時產生700 M數據，各閥門控制及連鎖功能正常穩(wěn)定，CAN總線丟幀率為0，現(xiàn)場站與上層客戶端數據刷新無延時，滿足啟動運行條件。

4 結束語

文章通過對某設備運行試驗監(jiān)控系統(tǒng)的架構設計、專用檢測裝置研制、數據接口設計、數據存儲與查詢設計等內容的闡述，介紹了基于Rockwell自動化產品構建大規(guī)?？己嗽囼灡O(jiān)控系統(tǒng)的關鍵技術，該監(jiān)控系統(tǒng)除了實現(xiàn)顯示、控制、分析、報警、存儲、查詢等功能外，實時性、穩(wěn)定性好，人機交互友好程度高，為新型設備的研制及試驗提供了可靠保障。同時也為其它大規(guī)模運行監(jiān)測系統(tǒng)的設計提供了借鑒。